ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПРЕССИИ В ЦИЛИНДРАХ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01M15/00 G01L23/08 

Изобретение относится к измерительной технике и оборудованию для диагностики двигателей внутреннего сгорания.

Известно устройство для определения компрессии (давления сжатия) [Электроизмерительные устройства для диагностики машин и механизмов. Р.С.Ермолов, Р.А.Ивашов, В.К.Колесник, Г.Д.Морозов. - Л.: Энергия. Ленинградское отделение, 1979. 128 с., с.114] по изменению тока, потребляемого стартером в момент прокрутки двигателя. Устройство позволяет определить среднее значение и неравномерность давления сжатия по цилиндрам двигателя. Устройство состоит из шунта, включенного между аккумуляторной батареей и корпусом машины, усилителя, детекторов среднего и амплитудного значения, подключенных к выходу усилителя сигнала, снимаемого с шунта, дифференциального усилителя, устанавливающего разность сигналов на выходе детекторов амплитудного и среднего значения, двух компараторов напряжений для сравнивания сигнала с заранее заданным сигналом с блока задания установок. Второй компаратор предназначен для определения неравномерности давления сжатия относительно максимального значения. Также устройство включает блок задержки сигнала, необходимый для блокирования работы устройства до того момента, как двигатель не выйдет на устойчивый режим прокручивания стартером.

Недостатками данного устройства являются высокая сложность исполнения и невысокая точность определения компрессии.

Из известных технических решений наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для определения компрессии (давления сжатия) по изменению напряжения на зажимах аккумуляторной батареи при прокручивании двигателя стартером [Электроизмерительные устройства для диагностики машин и механизмов. Р.С.Ермолов, Р.А.Ивашов, В.К.Колесник, Г.Д.Морозов. - Л.: Энергия. Ленинградское отделение, 1979. 128 с., с.111].

Устройство содержит усилитель переменного тока, подключенный непосредственно к зажимам аккумуляторной батареи и выделяющий переменную составляющую напряжения, возникающую из-за неравномерности нагрузки при прокручивании двигателя стартером. Двойной амплитудный детектор фиксирует значение изменения падения напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора в последовательности, определяемой порядком работы цилиндров в двигателе. К выходу двойного амплитудного детектора подключен аналого-цифровой преобразователь, который преобразует аналоговый сигнал в цифровую информацию, которая передается и запоминается в элементах памяти с индикаторами на выходе. Устройство также включает схему выделения из пульсирующего напряжения колебания, соответствующего давлению сжатия в определенном цилиндре. Схема включает в себя: отметчик цикла и опорных сигналов, сдвигающий регистр с числом ячеек, равным числу цилиндров, и формирователи импульсов.

Устройство работает следующим образом.

При прокручивании стартером двигателя электронный усилитель выделяет переменную составляющую напряжения, возникающую из-за неравномерности нагрузки при прокручивании двигателя стартером. Переменное напряжение с усилителя поступает на двойной амплитудный детектор, который фиксирует значение полного изменения каждой волны напряжения в последовательности, определяемой порядком работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Напряжение с детектора поступает на вход аналого-цифрового преобразователя и затем в цифровой форме запоминается в регистрах памяти, а также выводится на индикаторы, соединенные с регистрами памяти. В качестве отметчика цикла используется емкостной или индуктивный преобразователь, соединенный с проводом высокого напряжения одного из цилиндров, а для отметчика опорных сигналов аналогичный преобразователь, установленный на общий провод распределителя. По сигналу с отметчика опорных сигналов запускается формирователь и преобразователь АЦП. Одновременно взводится ячейка регистра сохранения результата, соответствующая номеру исследуемого цилиндра, и запускается формирователь импульсов на выходе этой ячейки. Он вырабатывает импульс, длительность которого равна времени измерения аналого-цифрового преобразователя. По заднему фронту этого импульса открывается элемент памяти исследуемого цилиндра и фиксируется значение полного изменения колебания напряжения, внутреннего сжатия в этом цилиндре. Через интервал времени, больший, чем интервал запоминания АЦП, формирователь-детектор с этого момента подготовлен к фиксации амплитуды следующей волны колебания напряжения.

Основной недостаток данного устройства состоит в следующем. Компрессия в вышерассмотренном приборе определяется путем контроля за падением напряжения на внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи. При этом чем меньше падение напряжения на внутреннем сопротивлении, тем больше компрессия. Это обусловлено тем, что при увеличении компрессии в момент сжатия увеличивается противодействующий момент на валу стартерного электродвигателя. Известно, что момент на валу двигателя постоянного тока пропорционален не линейной зависимости от тока, а квадратичной зависимости от тока, либо напряжения на якоре электродвигателя. В связи с этим погрешность определения компрессии в этом приборе сравнительно высокая. Кроме того, внутреннее сопротивление аккумулятора является нелинейной величиной, зависящей от химических процессов, протекающих в аккумуляторе (от температуры, плотности электролита, состояния пластин и т.д.), что вносит дополнительную погрешность.

Задачей настоящего изобретения является увеличение точности определения компрессии в цилиндрах двигателя посредством измерения активной мощности, потребляемой стартером в момент прокрутки двигателя при отключенных от свечей зажигания высоковольтных проводах.

Поставленная задача достигается тем, что в состав изобретения, содержащего емкостной электронный отметчик номера цилиндра, введено импульсное перемножающее устройство, перемножающее сигналы, пропорциональные току, потребляемому стартером, и падению напряжения на клеммах аккумуляторной батареи в момент прокручивания двигателя стартером. Получаемая на выходе устройства кривая прямо пропорциональна кривой изменения давления сжатия во всех цилиндрах двигателя. Первый вход импульсного перемножающего устройства соединен с выходом шунтирующего сопротивления (датчика тока) через дифференциальный усилитель и делитель напряжения, а второй вход соединен с делителем напряжения. Шунтирующее сопротивление подключено к штатному проводу, соединяющему положительную клемму аккумуляторной батареи со стартером. При этом выход импульсного перемножающего устройства через RC-цепь и повторитель напряжения соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом электронного отметчика номера цилиндра.

В результате сопоставительного анализа, проведенного по научным и научно-техническим средствам информации, содержащим сведения об аналогах данного объекта (Омский ЦНТИ), не было выявлено аналога, характеризующегося признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого технического решения, а наиболее близким по технической сущности является вышерассмотренное устройство для определения компрессии (давления сжатия) по изменению напряжения на зажимах аккумуляторной батареи при прокручивании двигателя стартером.

Достижение более высокого технического результата при использовании новых признаков технического решения позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения требованию "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 приведена принципиальная схема устройства для определения компрессии; на фиг.3 приведены временные диаграммы работы устройства.

Структурная схема электронного устройства для определения компрессии в цилиндрах двигателя представлена на фиг.1. Она включает в себя аккумуляторную батарею 1, датчик тока 2 (шунтирующее сопротивление R3), стартер 3, бензиновый двигатель внутреннего сгорания 4, вычислитель мощности, потребляемой стартером 5, систему зажигания 6, электронный отметчик номера цилиндра 7, сумматор сигналов 8 (сумматор напряжения DА3), регистрирующее устройство 9.

В качестве датчика тока 2 используется шунтирующее сопротивление R3, включенное между аккумуляторной батареей и стартером автомобиля. Для определения компрессии необходимо отключить высоковольтные провода от свечей зажигания. К высоковольтному проводу первого цилиндра подключен электронный отметчик номера цилиндра 7, состоящий из дифференцирующей RC-цепи (С2, R9), соединенной со входом повторителя напряжения на операционном усилителе DA4.

Разделительный высоковольтный конденсатор С2 представляет собой витую пару двух высоковольтных проводов, залитых диэлектриком, длиной порядка 5-7 см, что соответствует емкости примерно 10 пФ.

На фиг.2 изображена принципиальная схема включения электронного устройства для определения компрессии в цилиндрах двигателя.

Электронное устройство для определения компрессии включает: делитель напряжения, включенный в цепь питания стартера, состоящий из резисторов R1, R2; шунтирующее сопротивление R3, включенное между минусовой клеммой аккумуляторной батареи и корпусом автомобиля; выводы шунтирующего сопротивления соединены со входом операционного усилителя DA1, выход которого соединен с входом делителя напряжения на резисторах R4, R5, выход которого соединен с первым входом перемножающего устройства, второй вход которого соединен с выходом делителя напряжения R1, R2; выход перемножающего устройства через RC-цепь R6, С1 соединен со входом повторителя напряжения, выполненного на операционном усилителе DA2, выход которого через R7 соединен с первым входом сумматора, выполненного на операционном усилителе DA3, ко второму входу которого через R8 и повторитель напряжения на операционном усилителе DA4 подключена дифференцирующая RC-цепь С2, R9.

Электронное устройство для определения компрессии в цилиндрах бензинового двигателя работает следующим образом.

При замыкании контактов выключателя приборов зажигания и стартера реле блокировки, втягивающая и удерживающая обмотки тягового реле подключаются к аккумуляторной батарее 1. Якорь тягового реле притягивается к сердечнику электромагнита и с помощью штока и рычага механизма привода вводит шестерню стартера 3 в зацепление с зубчатым венцом маховика двигателя 4.

В конце хода якоря силовая контактная пластина замыкает силовые контакты, и стартерный электродвигатель (стартер) 3, получая питание от аккумуляторной батареи 1, приводит во вращение коленчатый вал двигателя. При отключенных от свечей зажигания высоковольтных проводах происходит прокручивание двигателя стартером 3 без воспламенения рабочей жидкости, при этом чем больше давление сжатия, (компрессия) в цилиндре, тем больший момент должен создать стартер для преодоления сжатия и, следовательно, тем большую мощность должен потреблять стартер.

Напряжение, снимаемое с делителя напряжения на сопротивлениях R1, R2, пропорциональное падению напряжения на внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи 1, в момент прокручивания двигателя стартером 3, поступает на вход перемножающего устройства ПУ, входящего в состав вычислителя мощности, потребляемой стартером 5. На второй вход ПУ поступает напряжение с шунтирующего сопротивления R3, пропорциональное току потребления стартера в момент прокрутки двигателя, через дифференциальный усилитель DA1, усиливающий разность напряжений, подаваемых на его вход и делитель напряжения R4, R5 для изменения амплитуды сигнала. С выхода перемножающего устройства ПУ снимается сигнал, пропорциональный произведению двух входных сигналов и характеризующий активную мощность, потребляемую стартером при прокручивании двигателя. С выхода ПУ напряжение через повторитель напряжения поступает на первый вход сумматора напряжения DA3. На второй вход сумматора поступает сигнал с электронного отметчика номера цилиндра 7, включающего RC-цепь и повторитель DA4 и подключенного к высоковольтному проводу, соединяющему распределитель напряжения и свечу первого цилиндра. С выхода сумматора 8 сигнал, показывающий компрессию в цилиндрах, поступает на вход регистрирующего устройства для записи и анализа состояния износа.

Временные диаграммы работы устройства показаны на фиг.3, где: u_ст(t) - падение напряжения на внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи в момент прокручивания двигателя стартером; i_ст - ток, потребляемый стартером в момент прокручивания двигателя; u_св1 - импульс напряжения, поступающий с распределителя напряжения на высоковольтный провод первого цилиндра, позволяющий определить очередность работы двигателя; u_вых - напряжение на входе регистрирующего устройства, пропорциональное мощности, потребляемой стартером в момент прокрутки, позволяющее определить изменение компрессии в каждом из цилиндров бензинового двигателя внутреннего сгорания.

Покажем, что компрессия в цилиндрах двигателя пропорциональна электрической мощности, потребляемой стартером в момент прокручивания двигателя.

Полезный вращающий момент М на валу электродвигателя (стартера) определяется следующим выражением:

где Р - активная электрическая мощность, потребляемая электродвигателем постоянного тока;

n_а - частота вращения якоря.

Учитывая то, что определение компрессии в цилиндрах двигателя происходит при установившемся режиме работы стартера, т.е. частота вращения якоря n_a=const, формула примет вид:

где u_Я(t) - мгновенное значение падение напряжения на стартере, при прокручивании двигателя стартером;

i_Я(t) - мгновенное значение тока, потребляемого стартером в момент прокручивания.

Полезный вращающий момент М на валу электродвигателя определяется выражением:

где М_СЖ - момент сжатия;

М_ИН - момент инерции;

М_ТР - момент трения.

Следует отметить, что в установившемся режиме М_ИН становится равен нулю, а м_ТР можно считать одинаковым для каждого цилиндра, поэтому по полезному вращающему моменту М на валу электродвигателя (стартера), определяемому выражением (3), можно определить текущее значение компрессии в цилиндрах двигателя. Если в каком-либо цилиндре снижается компрессия, то это приведет к уменьшению потребляемой мощности на соответствующем цикле сжатия.

Изобретение относится к измерительной технике и оборудованию для диагностики двигателей внутреннего сгорания. Технический результат заключается в увеличении точности измерения компрессии в цилиндрах двигателя. Согласно изобретению компрессия определяется посредством измерения активной мощности, потребляемой стартером в момент прокрутки двигателя при отключенных от свечей зажигания высоковольтных проводах. Устройство для определения компрессии включает емкостной электронный отметчик номера цилиндра и импульсное перемножающее устройство, которое перемножает сигналы, пропорциональные току, потребляемому стартером, и падению напряжения на клеммах аккумуляторной батареи в момент прокручивания двигателя стартером. Получаемая на выходе устройства кривая прямо пропорциональна кривой изменения давления сжатия во всех цилиндрах двигателя. Первый вход импульсного перемножающего устройства соединен с выходом шунтирующего сопротивления (датчика тока) через дифференциальный усилитель и делитель напряжения, а второй вход соединен с делителем напряжения. Шунтирующее сопротивление подключено к штатному проводу, соединяющему положительную клемму аккумуляторной батареи со стартером. При этом выход импульсного перемножающего устройства через RC-цепь и повторитель напряжения соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом электронного отметчика номера цилиндра. 3 ил.

Электронное устройство для определения компрессии в цилиндрах бензинового двигателя внутреннего сгорания, содержащее емкостной электронный отметчик номера цилиндра, отличающееся тем, что в состав устройства введено импульсное перемножающее устройство, первый вход которого соединен с выходом шунтирующего сопротивления (датчика тока) через дифференциальный усилитель и делитель напряжения, а второй вход соединен с делителем напряжения, подключенного к штатному проводу, соединяющему положительную клемму аккумуляторной батареи со стартером, при этом выход импульсного перемножающего устройства через RC-цепь и повторитель напряжения соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом электронного отметчика номера цилиндра.